FI84401C - Kapacitiv tryckgivarkonstruktion. - Google Patents

Description

84401

Rapasitiivinen paineanturirakenne Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kapasitiivinen paineanturirakenne.

Tekniikan tason osalta viitattakoon seuraaviin patenttijulkaisu! hin : [1] US 4589054 (Kuisma) [2] US 4597027 (Lehto) C33 US 3397278 (Poraerantz) [4] US 4609966 (Kuisma) [5] US 4599906 (Freud et ai.) [6] US 4542435 (Freud et ai.) [7] US 4257274 (Shimada et ai.) [8] US 4628403 (Kuisma)

Tunnetun tekniikan epäkohtana on se, että ratkaisut soveltuvat heikosti massatuotantoon. Myös lämpötilan muutoksista aiheutuvia virheitä ei ole pystytty eliminoimaan riittävästi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen kapasitiivinen paineanturirakenne.

Keksintö perustuu siihen, että anturi kondensaattori kiinnitetään anturirungon muodostavan kahden metallipinnan väliin esim. elastomeeria olevien joustavien eristekerrosten avulla siten, että anturikondensaattori kelluu näiden kerrosten välissä.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle paine-anturi-rakenteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

2 84401

Keksinnön raukaisen rakenteen etuja ovat parempi sopivuus massatuotantoon ja helpompi kontaktoitavuus kuin vastaavista materiaaleista valmistetuilla differentiaalikondensaattori rakenteilla ([6], [73), - elastomeerikerrokset estävät anturi kondensaattorin ja metallirungon lämpölaajenemiskertoiraien eron sekä linjapaineen aiheuttaman metalliosien taipuman vaikutukset anturikondensaattoriin. Vertailun vuoksi mainittakoon viitteen [63 mukainen mutkikas rakenne, jolla pyritään samaan tulokseen.

- viitteestä [8] on tunnettua kapasitanssin paine- herkkyyden edullinen muuttuminen mitattavan paineen suhteen niin, että pienellä paineella saavutetaan suurempi herkkyys kuin suurella. Sitä voi käyttää hyväksi myös paine-eroanturin yhteydessä, jolloin kanavan 22 paineen P·] tulee olla suurempi kuin kanavan 23 paineen P2. Symmetrisiin differentiaali kondensaattoreihin [63, [73 verrattuna saa daan yhdellä anturilla laajempi käyttökelpoinen mittausalue.

Suuren joustavuutensa ansiosta elastomeeri ei välitä metallin taipumisesta tai anturikondensaattorin ja metallin lämpölaa jemeniserosta johtuvaa mekaanista jännitystä anturikondensaattor i in . Kahden pinnan välissä anturi kondensaattorin sijainti on niin lukittu, ettei mitattava paine-ero pysty venyttämään elastomeerikerrosta (19) paksuussuunnassa liikaa. Elastomeerin leikkauslujuus saadaan riittävän suureksi käyttämällä ohutta kerrosta ja suurta pinta-alaa. On huomattava, että kompensoiduksi ei tule ainoastaan väliaineen die-lektrisen ominaisuuksien aiheuttama lämpötilariippuvuus vaan myös muista syistä johtuvat lämpötilavirheet: kondensaatto rin materiaalien kimmo- ja lämpölaajenemisominaisuuksista 3 84401 johtuvat sekä myös piiöljyn lämpölaajenemisesta johtuvat, jos erotuskalvot sijaitsevat anturin välittömässä läheisyydessä hyvässä termisessä yhteydessä siihen.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellutusesimerkkien avulla .

Kuvio 1 esittää sivuleikkauskuvantona yhtä kondensaattorirakennetta .

Kuvio 2 esittää kuvion 1 tasoa A - A myöten tehtyä leikkausta.

Kuvio 3 esittää halkileikattuna sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista paineanturirakennetta.

Kuviot 1 ja 2 esittävät anturin paineelle herkkää konden-saattoriosaa. Se muistuttaa viitteen [1] kuvioiden 3 ja 4 rakennetta. Kondensaattoriosa koostuu eripaksuisista kerroksista piitä ja sen kanssa lämpölaajenemiskertoimeltaan yhteensopiva borosilikaattilas ia. Kuviossa 1 levy 1 on piitä. Levyyn 1 on kiinnitetty lasikerros 4 esimerkisi viitteissä [1] ja [2] esitettyjen menetelmien mukaisesti. Vastaavasti levy 2 on piitä ja kerros 5 lasia. Näiden kerrosrakenteiden välissä on osa 3> joka on piitä. Osa 3 on työstetty sopivasti niin, että siinä on paksummat reuna-alueet ja ohuempi keskiosa 6. Osa 3 on paksuista reuna-alueistaan kiinnitetty kerrosrakenteiden 1, 4 ja 2, 5 lasipintoihin esim. viitteen [33 mukaisella anodisella bondausmenetelmällä.

Osan 3 lasikerroksen 5 puolelle on työstetty allasmainen tila 12, joka muodostaa kondensaattorin eristysvälin. Tila 12 avautuu ulkopuolelle käytäviä 10 ja 11 myöten. Ohennetun piikalvon 6 toisella puolella on toinen kammiomainen tila 7B, joka avautuu ulkopuolelle kerrosrakenteeseen 1 & 4 tehdyn reiän 7 kautta. Jos reiän 7 kautta tuodaan kaasu- tai nestemäisen väliaineen välityksellä paine P-| ja käytävien 10 ja 11 kautta paine P2, taipuu piikalvo 6 paineiden erotuksen P2-P1 määräämällä tavalla.

11 84401

Kuvion 2 mukaisesti lasikerroksen 5 pintaan on valmistettu ohuesta metalli kalvosta alueet 15, 16 ja 17, niihin liitty vät johdinalueet 8 ja 9 sekä kontaktointialueet 14. Anodisen bondauksen alue on osoitettu numerolla 13· Alue 15 muodostaa sähköisen kontaktin piikappaleeseen 3 ja, sen ollessa johtavuudeltaan sopiva edelleen ohueen piikalvoon 6. Metallikal-von alueet 17 ja 16 sijaitsevat tilan 12 ja piikalvon 6 alueella nii^, että alue 17 sijaitsee keskellä, jossa paine-eron aiheuttama piikalvon 6 taipuma on suurimmillaan, ja alue 16 reunoilla, jossa piikalvon 6 taipuma on hyvin pieni. Rakenteeseen muodostuu kaksi kondensaattoria: alueen 17 ja piikalvon 6 välinen sekä alueen 16 ja piikalvon 6 välinen. Eristevälinä molemmissa on tila 12. Alueen 17 ja piikalvon 6 muodostaman kondensaattorin kapasitanssista käytetään viitettä Cp ja alueen 16 ja piikalvon 6 muodostaman kondensaattorin kapasitanssista vastaavasti Ct.

Kapasitanssi Cp riippuu voimakkaasti paine-erosta: paine- eron vaihdellessa piikalvon 6 taipuma muuttaa kondensaatto-rilevyjen 6 ja 17 välistä etäisyyttä ja edelleen kapasitanssia. Kapasitanssi Ct riippuu oleellisesti vähemmän paineesta; kondensaattori levyjen 6 ja 16 etäisyys muuttuu paine-erojen vaikutuksesta vain vähän. Molemmat kapasitanssit Cp ja Ct riippuvat eristevälissä 12 olevan väliaineen dielekt-risistä ominaisuuksista suhteellisesti samalla tavalla.

Kuvioissa 1 ja 2 on paine-erolle herkän kondensaattorin rakenteesta esitetty vain toiminnan kannalta oleellisimmat seikat. Erilaiset muunnokset osien rakenteessa esim. viitteen [4] kuvioiden 1...6 tapaan ovat mahdollisia ja monasti hyödyllisiä. Lasikerroksen 5 pinnalla voi kuviossa 1 ja 2 osoitettujen metallialueiden lisäksi olla maadoitusrenkaita viitteen [4] kuvion 1B tapaan, tai piilevy 2 voi olla liitetty metalloituun alueeseen läpivientirakenteella lasiker-roksen 5 läpi viitteiden [2] tai [4] mukaisilla menetelmillä .

Paine-erolle herkän kondensaattorin mitat voivat vaihdella laajalla alueella. Osien 1, 2 ja 3 leveys on tyypillisesti 5 84401 2...20 ram, sopivimrain 5...7 mm. Osien 1 ja 2 paksuudet ovat tyypillisesti 0,2...2 mm, sopivimmin n. 1 mm. Osan 3 paksuus voi olla 0,1...0,5 mm, sopivimmin 0,38 mm. Lasikerrosten 4 ja 5 paksuudet ovat tyypillisesti 0,01...0,2 mm, sopivimmin 0,-05 mm. Ohenpetun piialueen 6 paksuus voi vaihdella välillä 0,005...0,2 mm, sopivimmin aina painealueen mukaan välillä 0,01...0,1 mm ja piialueen 6 sivun leveys (tai vastaavasti halkaisija) 1...10 mm, sopivimmin 2...4 mm. Eristysvälin 12 paksuus on tyypillisesti välillä 0,001___0,02 mm, sopivimmin 0,004...0,008 mm.

Kuvioiden 1 ja 2 mukaisen kondensaattorin käyttö anturin paineelle herkkänä osana on esitetty kuviossa 3. Kondensaattori on kiinnitetty piilevystä 2 ohuella kerroksella 18 sopivaa elastomeeriä, esim. silikonikumia, metalliseen kappaleeseen 20. Kappaleessa 20 on läpivientirakenteet, joissa metallijohtimet 27 on eristetty kappaleesta 20 lasiholkeilla 28. Lasiholkit on sulatettu niin, että muodostuvat läpivientirakenteet ovat tiiviitä. Kondensaattorin kontaktialueet 14 on kaikki yhdistetty johtimiin 27 ohuella metalli langalla 26. Metallikappale 20 on yhdistetty esim. hitsaamalla pitkin saumaa 25 toiseen metalli kappaleeseen 21, joka voi olla osa laajempaa rakennetta. Kappaleessa 21 on tila 24 kondensaattoria varten. Kondensaattori on piilevystä 1 kiinnitetty ohuella elastomeerikerroksella 19 metalli kappaleeseen 21. Kondensaattori ''kelluu" kahden elastomeeripat jän välissä. Elastomeerikerrokset ovat paksuudeltaan 0,05...0,3 mm, sopivimmin 0,1 mm.

Metalliosassa 21 on kaksi porausta 22 ja 23, joita pitkin mitattavat paineet tuodaan kondensaattorille. Poraus 22 on yhteydessä tilaan 24, kun taas poraus 23 osuu kondensaattorin levyssä 1 olevan reiän 7 kohdalle. Elastomeerikerros 19 eristää nämä kaksi painekanavaa toisistaan. Tila 24 on täytetty nestemäisellä väliaineella, esim. silikoniöljyllä niin, että väliaine täyttää myös kondensaattorin eristetilan 12 kanavien 10 ja 11 kautta. Poraus 23 ja siihen reiän 7 kautta yhteydessä oleva tila 7B on myös täytetty väliaineella, joka voi olla neste tai kaasu, esim. ilma.

6 84401

Poraukset 22 ja 23 voivat olla edelleen yhdistettyjä öljyti-loihin, jotka ohut metallinen erotuskalvo erottaa mitattavasta väliaineesta samalla tavalla kuin esim. viitteissä [5] ja [63. Jos anturia ei käytetä paine-eron vaan ylipaineen mittaamiseen, ei porausta 23 tarvitse täyttää nestemäisellä väliaineella eikä vastaavaa erotuskalvoa tarvita. Tila 24 voi olla sopivasti muotoiltu anturi kondensaattorin mittojen mukaan niin, että väliaineen tilavuus minimoituu.

Kuvatusta anturirakenteesta voidaan sähköisesti mitata kaksi kapasitanssia: Cp ja Ct. Näistä Cp riippuu voimakkaasti paine-erosta, Ct riippuu heikosti paine-erosta ja molemmat riippuvat väliaineen dielektrisistä ominaisuuksista.

Jos väliaineena tilassa 12 on silikoniöljy, on sen dielekt-risyysvakion lämpötilakerroin suuri: n. 1000 ppm/°C. Tämä aiheuttaa kapasitansseille Cp ja Ct suuren lämpötilariippuvuuden, joka ilmenisi painelukeman lämpötilavirheenä, jos vain kapasitanssia Cp käytettäisiin paine-eron mittaamiseen. Koska on käytettävissä myös toinen kapasitanssi Ct, jonka caineriippuvuus on erilainen kuin Cp:n ja jolla on myös voimakas lämpötilariipuvuus, voidaan löytää matemaattiset funktiot, joiden avulla kapasitansseista voidaan laskea sekä paine-ero että lämpötila riittävällä tarkkuudella.

P2-P1 = p(Cp,Ct) t = t(Ct,Cp)

Funktiot p ja t voivat olla esim. polynorairauotoisia. Polynomien kertoimet voi määrittää mittaamalla kaksi kapasitanssia, Cp ja Ct, riittävän monella tunnetulla paine-eron ja lämpötilan arvolla.

Claims (3)

7 84401

1. Kapasitiivinen paineanturirakenne, joka käsittää - kondensaattorirakenteen (1, 2, 3), - rungon (20, 21), johon kondensaattorirakenne (1, 2, 3) on sovitettu, - runkoon (21) sovitetut kanavat (22, 23) mitattavan väliaineen johtamiseksi kondensaattorirakenteen (1, 2, 3) sisälle, - sähköjohteet (14, 26), joilla kondensaattorirakenteen (1, 2, 3) paineesta riippuva kapasitanssi-tieto on johdettavissa ulos anturirakenteesta, ja - elastiset rakenteet (18, 19), joilla kondensaattorirakenne on sovitettu kelluvasti runkoon (20, 21), tunnettu siitä, että - kondensaattorirakenne (1, 2, 3) on kiinnitetty runkoon (20, 21) ohuilla, tasomaisilla elastisilla rakenteilla (18, 19), joiden leveyden suhde korkeuteen on suurempi kuin 6.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen paineanturirakenne, tunnettu siitä, että elastomeerikerrosten (18, 19) paksuus on 0,05...0,3 mm, sopivimmin 0,1 mm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen paineanturirakenne, jonka kondensaattorirakenne käsittää tukilevyn (2, 5), joka koostuu piikerroksesta (2) ja tämän päälle sähköstaattisella menetelmällä levymäisenä yhdistetystä, piikerrosta (2) olennaisesti ohuemmasta lasikerroksesta (5), tukilevyn (2, 5) päälle sovitetun kiinteän ensimmäisen kondensaattorilevyn 8 84401 (17), tukilevyn (2, 5) päälle, kiinteää kondensaattorilevyä (17) ympäröivästi sovitetun piilevyn (3), jonka keskiosa on ohennettu liikkuvana kondensaattorilevynä toimivaksi kalvo-maiseksi rakenteeksi (6), piilevyn (3) päälle sovitetun kan-silevyn (1, 4), joka koostuu piikerroksesta (1) ja tähän kiinnitetystä, piilevyä (3) vasten vasten olevasta lasiker-roksesta (4), joka on piikerrosta (1) olennaisesti ohuempi, tunnettu siitä, että tukilevyn (2, 5) päälle ensimmäisen kondensaattorilevyn (17) ja tätä ympäröivästi sovitetun piilevyn (3) väliin on sovitettu toinen kondensaattori-levy (16), joka ympäröi olennaisesti ensimmäistä kondensaattorilevyä (17), ja että kondensaattorirakenne on yläosansa ja alaosansa piikerroksista (1, 2) mainittujen elastomeeri-patjojen (18, 19) välityksellä kiinnitetty runkoon (20, 21). 9 84401